《ANSYS Icepak及Workbench結(jié)構(gòu)熱力學(xué)仿真分析》之作者心語

 

1、成書過程簡介

春去秋來，寒暑易替，歷經(jīng)一年的時間，一本《ANSYS Icepak及Workbench結(jié)構(gòu)熱力學(xué)仿真分析》終于和廣大讀者朋友見面了。撫卷凝思，心中不禁有些許感慨。最早的材料來源于工程項(xiàng)目完成后零散記錄的技術(shù)總結(jié)，一段時間以后，不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)已積少成多了；自己又在各個論壇逛，看到國內(nèi)相關(guān)方面的資料（Icepak、MAPDL協(xié)同Workbench平臺）較少，論壇上網(wǎng)友呼聲也較高。于是決定寫成一書。它是作者一字一字碼出來的，基本上是根據(jù)作者思路和原創(chuàng)性的思考、總結(jié)、心得而成稿。撰寫的工作量較大，抓緊了工作之余和業(yè)余時間，其間還經(jīng)過了多次修改，可謂為之付出了不少努力。在成書過程中得到了單位領(lǐng)導(dǎo)和身邊同事的大力協(xié)助，同時，安世亞太駐成都辦事處袁坤、唐天戶也給予了大力支持，一并致以衷心謝意。
本書總體上可分為兩個部分，前一部分（1~8章）針對電子設(shè)備Icepak熱仿真分析專題，后一部分（第9章）針對聯(lián)合ANSYS Classic（現(xiàn)稱MAPDL）和Workbench平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析專題。對利用ANSYS產(chǎn)品進(jìn)行電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱、力學(xué)仿真分析的讀者朋友皆有裨益。

2、成書背景

針對傳統(tǒng)電子設(shè)備研制中周期較長、后期排故較難等問題，引入數(shù)字仿真工具，進(jìn)行熱、力學(xué)分析，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，使設(shè)計方案得到充分驗(yàn)證。這些方法的應(yīng)用使產(chǎn)品存在的一些問題得到快速暴露和解決，提高了產(chǎn)品可靠性和數(shù)字化程度。以仿真+試驗(yàn)為代表的新手段正在使電子設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域進(jìn)入一個新階段。
目前據(jù)個人的不完全統(tǒng)計（工作實(shí)踐、對外交流、高級研修班、千余篇公開文獻(xiàn)），國內(nèi)中電10、29、30、14、20、26、27、34、36、54、55等所，華東計算機(jī)研究所、華北計算機(jī)研究所、中國航空無線電電子研究所、中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所、中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，中航工業(yè)洛陽光電設(shè)備研究所，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，航天科工集團(tuán)第三研究院第八三五七研究所，北京微科能創(chuàng)科技有限公司和北京計量測試研究所，北京國科環(huán)宇、安世亞太駐北京總部及駐成都辦事處、?；萍捡v成都辦事處、天源博通駐北京總部，以及企業(yè)（如一汽研發(fā)中心）、高校等，均認(rèn)識到仿真技術(shù)的重要作用，正在積極開展相關(guān)研究和條件建設(shè)。可以說這一波熱潮是方興未艾。
但是，仿真技術(shù)固有的較高門檻阻礙了本地化仿真設(shè)計研發(fā)能力的真正成型。即使是擁有了仿真專家和平臺，在面對復(fù)雜問題時仍會覺得比較棘手。這表明，能夠完成一些成功的分析不等于形成了仿真研發(fā)能力，花費(fèi)較多的時間精力來跨越仿真“山頭”只能是曲高和寡。
正是為了解決這些存在的問題，我們瞄準(zhǔn)“降低門檻”和“仿真工程化”目標(biāo)，在《ANSYS Icepak及Workbench結(jié)構(gòu)熱力學(xué)仿真分析》一書中，對阻礙仿真技術(shù)本地化應(yīng)用的幾個問題進(jìn)行了闡述，并給出了解決方案。它們包括用于Icepak熱仿真的非參多體CAD模型前處理，Icepak網(wǎng)格劃分，Icepak參數(shù)化，Icepak若干專題以及經(jīng)典ANSYS（MAPDL）與ANSYS Workbench協(xié)同仿真技術(shù)等。遵循上述解決方案，可以使用CATIA強(qiáng)大的多（包絡(luò)）體零件快速建立Icepak熱分析模型，使用多種靈活的網(wǎng)格劃分方案對復(fù)雜幾何進(jìn)行快速解析。采用高性能工作站可以在幾個小時內(nèi)將整機(jī)結(jié)構(gòu)模型快速轉(zhuǎn)換為粒度非常精細(xì)（包括PCB布線、熱源分布、接觸熱阻在內(nèi)），或粒度較粗（快速方案比較）的各種層次的熱仿真產(chǎn)品并進(jìn)行數(shù)輪分析。

3、成書之后的持續(xù)開發(fā)（"CATIA For Icepak"環(huán)境開發(fā)）

在書成稿后，我們又繼續(xù)對上述解決方案進(jìn)行了研究，提煉出熱仿真分析的標(biāo)準(zhǔn)流程，對CATIA進(jìn)行了開發(fā)，以VB代碼進(jìn)行封裝、開發(fā)出易于使用的Icepak仿真模型前處理工具而形成一個專業(yè)化的處理環(huán)境，我們將該環(huán)境稱為“Catia for Icepak”（CFI，如圖 1所示，第1~9個圖標(biāo)。其余為結(jié)構(gòu)設(shè)計用。）。CFI創(chuàng)造性地研究并靈活使用了CATIA GSD(General Shape Design，創(chuàng)成式外形設(shè)計)模塊的帶參/非參包絡(luò)體體系，以及CATIA同步建模技術(shù)（不需要3D特征）和后期參數(shù)化技術(shù)，解決了三維CAD幾何模型的非參仿真多體模型快速創(chuàng)建、規(guī)范格式的數(shù)據(jù)描述和模型快速修改問題，使仿真產(chǎn)品成為了具有與結(jié)構(gòu)產(chǎn)品一樣屬性的信息化研發(fā)產(chǎn)物，因?yàn)槎叨季哂辛艘徽桩a(chǎn)品建模和產(chǎn)品明細(xì)信息描述的便利本地化工具。
CFI真正使仿真技術(shù)門檻得到了降低（使Icepak熱分析成為“CAD式的CAE”），能夠使繁雜的模型創(chuàng)建過程規(guī)范為“簡化”（自動隱藏對熱分析影響不大的件；對幾何細(xì)節(jié)進(jìn)行清理）→“分解”（將復(fù)雜幾何分割為簡單幾何）→“消參”（使模型成為非參模型）→“轉(zhuǎn)換”（將非參包絡(luò)體轉(zhuǎn)換為2類包絡(luò)體；將包絡(luò)體轉(zhuǎn)換出OGS--Ordered Geometrical Sets，有序幾何圖形集；在模型中創(chuàng)建出多個局部的非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域）→“重組”（將模型重組為僅由幾何體+OGS組成的規(guī)范格式仿真產(chǎn)品，并具有規(guī)范的產(chǎn)品明細(xì)信息描述）的創(chuàng)新性標(biāo)準(zhǔn)流程，使三維CAD模型在短時間內(nèi)按照一套極具處理效率的方法轉(zhuǎn)換為熱仿真模型，實(shí)現(xiàn)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范化明細(xì)信息描述，并可及其方便快速地創(chuàng)建出Icepak非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域，使各種不同精細(xì)粒度的模型能夠充分利用Icepak強(qiáng)大的網(wǎng)格功能、由粗略的背景網(wǎng)格和精細(xì)的非連續(xù)網(wǎng)格進(jìn)行解析，極大地提高仿真速度和可靠度。


圖 1 CATIA For Icepak工具條功能按鈕一覽

4、案例簡介

通常一個稍復(fù)雜的模型，建模過程十分繁瑣，其中包含的熱對象和仿真參數(shù)數(shù)量龐大，且網(wǎng)格劃分不易成功。如何化繁為簡，對數(shù)量龐大的熱對象和仿真參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建、修改，以及劃分出可靠經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)格，是仿真領(lǐng)域內(nèi)面臨的主要困難，值得研究。目前在業(yè)內(nèi)尚未見到公開報道的有效解決方案。
舉例說明：圖 2~圖 3顯示了一個PCB的Cadence設(shè)計信息及其對應(yīng)的插卡模塊Icepak非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域詳細(xì)信息，可見其中包含的特征總數(shù)為86個。
圖 4~圖 11顯示了將一個典型密閉型總線結(jié)構(gòu)設(shè)備創(chuàng)建出熱分析模型的過程。首先如圖 4~圖 5所示，將模型由包含1115個節(jié)點(diǎn)的裝配件，轉(zhuǎn)換為含有712個Icepak熱分析對象、14個非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域（N/C ASM）的零件，其模型樹節(jié)點(diǎn)列表如圖 6~圖 7所示，統(tǒng)計得到其中非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域的特征總數(shù)為260個（圖 8），然后在Icepak中建立模型（圖 9），再劃分網(wǎng)格用于分析計算（圖 10），得到計算結(jié)果如圖 11所示，仿真溫度值與實(shí)際試驗(yàn)測試值誤差小于4%。
上述兩個案例中的熱對象及其相應(yīng)的熱學(xué)信息數(shù)量大，可見，如果不針對性進(jìn)行研究解決而使用手動操作，將使仿真工作不具備可操作性，人員負(fù)擔(dān)也比較重。使用CFI則可輕松完成全部建模和修改工作，目前它已在研發(fā)過程中得到了廣泛使用，效果優(yōu)良。



 




圖 4 典型密閉型總線結(jié)構(gòu)設(shè)備，節(jié)點(diǎn)總數(shù)=1115



圖 5 轉(zhuǎn)換為含有712個Icepak熱分析對象、14個非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域（N/C ASM）的零件



圖 6零件的模型樹節(jié)點(diǎn)列表1，由Body和OGS構(gòu)成，其中不僅包含各個Icepak熱對象和熱仿真所需要的參數(shù)信息，還包含有非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域的標(biāo)記信息“ASMx”


圖 7零件的模型樹節(jié)點(diǎn)列表2，由Body和OGS構(gòu)成，其中不僅包含各個Icepak熱對象和熱仿真所需要的參數(shù)信息，還包含有非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域的標(biāo)記信息“ASMx”



圖 8 非連續(xù)網(wǎng)格區(qū)域詳細(xì)信息



圖 9 在Icepak中建立模型



圖 10 再轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格模型，用于計算



圖 11 計算結(jié)果
 
 
  
為了解決這些問題，行業(yè)內(nèi)各單位提出了相應(yīng)解決手段。XX所提出“電子設(shè)備多學(xué)科主模型及其建立技術(shù)”，應(yīng)用基于設(shè)計規(guī)則的模型搭建和基于規(guī)范數(shù)據(jù)庫格式描述仿真信息的方法，來建立和管理分析模型，并在“電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計平臺的實(shí)現(xiàn)”中予以實(shí)施。XX所將電子設(shè)備仿真研發(fā)歸入其信息化建設(shè)的體系，以結(jié)構(gòu)產(chǎn)品為主線，將仿真屬性作為結(jié)構(gòu)產(chǎn)品不可或缺的一個重要屬性進(jìn)行管理，且十分重視仿真設(shè)計與電子EDA設(shè)計之間的聯(lián)系，力求打造較為完備的多層次屬性結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計與管理體系。XX所打造“電子產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同仿真平臺”，從平臺架構(gòu)、多學(xué)科協(xié)同仿真、流程固化與管理、打通軟件接口等方面進(jìn)行建設(shè)。


 附全書目錄：《ANSYS Icepak及Workbench結(jié)構(gòu)熱力學(xué)仿真分析》出版啦  

介紹：ANSYS Icepak及Workbench結(jié)構(gòu)熱力學(xué)仿真分析

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